汽车材料的应用及发展研究

黄瑞丽

摘要：汽车材料是汽车生产制造及运行的基础，与汽车性能息息相关。在科技发展的助推下，各类新型汽车材料不断涌现，推动汽车材料趋向多元化发展。汽车材料的更新迭代，对于汽车性能产生极大影响，并大力推动汽车行业的快速发展。本文简要介绍汽车材料的发展历程，论述汽车材料的应用现状，并分析其发展趋势。

Abstract： The automobile material is the foundation of the automobile manufacturing and operation， and is closely related to the automobile performance. With the help of the development of science and technology， all kinds of new automotive materials continue to emerge， promoting the diversified development of automotive materials. The renewal and iteration of automotive materials have a great impact on the performance of automobiles and promote the rapid development of the automobile industry. This paper briefly introduces the development course of automotive materials， discusses the application status of automotive materials， and analyzes its development trend.

关键词：汽车材料;应用;发展

Key words： automotive materials;application;the development

中图分类号：U472.4                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）15-0186-02

0  引言

汽车材料是指汽车在生产制造及运行维护过程中所用到的材料，主要可分为汽车运行材料及汽车工程材料。汽车工程材料是指制造汽车各零部件所用到的材料，具体可分为金属材料和非金属材料。汽车运行材料是指汽车在使用运行维护过程中使用的工业液及燃料。当前，全球关于汽车材料的技术开发、应用及实践研究很多，本文以汽车材料为视角，简要介绍汽车材料的发展历程，论述汽车材料的应用现状，并分析其发展趋势。

1  汽车材料的发展历程

世界上第一辆汽车诞生于19世纪末，由德国著名工程师卡尔·本茨设计制造，使用的汽车材料主要为钢和木材。20世纪初，随着物理学和化学科学的迅速发展，人类开启了高分子合成材料时代，合成橡胶、合成塑料、合成纤维材料相继出现。1905年，亨利·福特首次将橡胶充气轮胎应用到汽车制造中，也意味着高分子材料成为了汽车材料的一种。20世纪50年代，金属陶瓷复合材料首次研发成功，许多知名汽车品牌制造商将复合材料应用到汽车制造中，复合材料进入汽车材料的大家庭[1]。另外由于金属冶炼技术的进一步发展，各类金属合金材料相继研发出来，例如铝镁合金、钛合金等，共同丰富了汽车材料的品种。21世纪的今天，许多智能材料被研发出来，应用到汽车制造中，例如聚氨酯自修复材料、光致变色玻璃及形状记忆合金等。

2  汽车材料的应用现状

2.1 金属材料

金属材料是汽车制造过程中使用量最大的一种材料，被广泛应用于汽车车身骨架、覆盖板、保险杠、发动机、汽车底盤等汽车零部件，约占汽车整车重量的65～80%[2]。常见的汽车金属材料有钢铁、铝合金、镁合金及钛合金等，其中钢铁的使用历史最久。钢铁材料具有优异的力学性能、稳定的化学性能及良好的工艺性能（切削加工性能、热加工成型性及热处理性能等），并且价格实惠，全球产量大[3]，是使用量最大的汽车金属材料。其中铸铁或碳素钢多用于汽车结构零部件，例如汽车车身;合金钢多用于功能性汽车零部件，例如十字轴、连杆、传动轴、弹簧、空气压缩机、齿轮、履带、汽车纵横梁等。除钢铁材料以外，其他金属材料也被广泛应用于汽车制造中，例如铝合金常用于电动汽车的车身、轮毂、电池系统、覆盖板、热交换器、保险杠等处;镁合金常用于汽车方向盘、前盖、转向支架、以及刹车架等;钛合金可用作汽车弹性元件[4]。

2.2 非金属材料

2.2.1 高分子材料

高分子材料为人工合成材料，具体包括橡胶、塑料、纤维、涂料和胶粘剂等，是汽车材料的重要组成部分。高分子材料被广泛应用于汽车零部件，一是橡胶材料应用于汽车上的减震阻尼元件、垫圈、油管、轮胎、胶带、电线护套、皮碗等零件;二是塑料材料应用于座椅、座椅、板、发动机罩盖内衬、仪表板、门内板等内饰上，也用于汽车翼子板、保险杠、散热格子栅、灯类等外饰上，还用于气门室罩盖、油箱、水泵、汽车冷却风扇等功能件和结构件上[5];三是涂料广泛用于汽车车漆。

2.2.2 无机非金属材料

汽车上常用的玻璃为无机非金属材料，具体包括夹层玻璃、钢化玻璃以及在其他衍生汽车玻璃，如光致变色玻璃、防弹玻璃和中空玻璃等。

碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，具有质轻、高强度、耐高温、耐腐蚀性强、导电导热性能优良、电磁屏蔽性好等优点，是当前学术界研究的热点材料之一，也是一种新型的汽车材料。碳纤维材料由于制备程序复杂，价格昂贵，早期应用于赛车，例如F1赛车、越野赛车等。近年来，随着碳纤维技术的发展，碳纤维产量逐年上升，民用汽车的碳纤维应用越来越广泛，许多超级跑车采用全碳纤维车身，例如超级跑车阿斯顿马丁Valkyrie AMR Pro、柯尼塞格Agera RS、迈凯伦Speedtail、雷克萨斯LFA等。一些汽车制造商开始生产提供碳纤维材料的小组件，如内饰门板、后视镜壳、排挡杆、门把手、空气套件、赛车座椅等[6-7]。

2.2.3 复合材料

复合材料是指两种及两种以上不同性质的材料通过特定的物理或者化学方法制备得到的一种新材料[8]。与传统的铁、钢、铝以及橡胶和塑料等材料相比，汽车复合材料是完全不同的另一类新型材料，具有可设计性、强度高、抗疲劳性和减振性好、耐高温、易成型等优点。自1955年Chevrolet Corvette全复合材料车身的两座位跑车问世，复合材料在汽车上的应用已有60多年[9]。

车用复合材料主要可分为短纤维增强复合材料、连续纤维增强复合材料和薄片增强复合材料这三类。短纤维增强复合材料是指20mm以下的短切纤维作为增强体形成的复合材料。纤维无规则地分布在树脂基体内，增强效果较差，但制造成本相对较低，例如短玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料。连续增强复合材料是指包括20mm以上的丝束、非织造布、长纤维、二维编织物、多向编织物等增强体不树脂复合而形成的复合材料。其中，非织造布、二维编织物、多向编织物等由于织物本身具有骨架结构，与树脂复合时需要考虑树脂的浸润性，一般用来制作汽车顶棚。长纤维和丝束作为增强体材料由于具有很好的增强、增韧效果，例如碳纤维增强树脂基复合材料，强度远高于钢，常用作超跑车车身。但由于纤维长度较长，与树脂复合时纤维的分布、伸直状态等工艺较难控制，制造成本较高。目前，以长玻纤、碳纤为增强体的复合材料除了传统内饰件外，在外覆盖件、底盘等多部位均有应用。薄片增强复合材料：薄片增强复合材料主要用纸、云母片和玻璃薄片等与基体材料复合，增强效果介于纤维增强和粒子增强之间[10-11]。

当前，复合材料在汽车上的应用十分广泛，常见的复合材料部件有车身、灯壳罩、前后护板、保险杠、板座椅架及驱动轴等。

2.2.4 汽车运行材料

汽车在运行过程中需要加入一些的运行材料，如机油、齿轮油、燃料、冷却液、制动液等，以满足传动的润滑、车辆制动、汽车能量的转换和冷却等工作过程。汽车燃油主要包括柴油、汽油、醇醚类燃料、燃气、生物柴油、合成油等;汽车制动液也称刹车油，主要为合成材料，可分为脂型和有醇醚型两种。汽车防冻液是一种含有特殊添加剂的冷却液，按防冻剂的不同，可分为甘油型、酒精型、乙二醇型等。汽车挡风玻璃清洗液，也称玻璃水，其主要的成分有酒精、水、缓蚀剂、乙二醇等，功能是润滑玻璃，防雾，防止结霜，以及清洁玻璃[12-13]。

3  汽车材料的发展

3.1 汽车材料朝着轻量化发展

相关研究表明，汽车重量每减少100kg，燃油量可减少0.3～0.5L/（100km），CO2的排放量可降低 8～11g/（100km）[14]。因此，汽车轻量化对于汽车节能减排具有非常重要的意义，也成为了未来汽车发展的重要方向。汽车材料轻量化是汽车轻量化的关键，未来汽车材料将朝着轻量化发展，一些轻质材料，如碳纤维、铝合金、镁合金、塑料在汽车结构部件及重要零部件的应用将越来越广泛。

3.2 汽车材料朝着高性能、多元化方向发展

科技的发展，推动汽车材料的更新变革，汽车材料的品种与性能日趋多样化。金属材料仍将是汽车制造的主要材料，一些高性能金属材料将成为汽车材料研发应用的重点，例如高强度钢、特殊性能合金等。复合材料由于具有可设计性，未来在汽车制造过程中的应用将越来越广泛，例如碳纤维增强树脂基复合材料、金属基复合材料等。

3.3 汽车材料朝着绿色环保发展

绿色环保是21世纪人类可持续发展的重要主题，未来汽车材料将朝着绿色环保的方向发展，绿色轮胎、绿色塑料、绿色复合材料的应用将越来越广泛。

4  结语

综上所述，汽车材料与汽车性能息息相关，未来汽车材料将朝着轻量化、高性能、多样化、绿色环保的方向发展。轻质金属材料、高性能金属材料、绿色环保高分子材料、高性能轻质复合材料等新型材料是未来汽车材料的研究热点。

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